DE2404011A1

DE2404011A1 - Bodensonde

Info

Publication number: DE2404011A1
Application number: DE2404011A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: STICHTING WATERBOUWKUNDIG LAB
Current assignee: STICHTING WATERBOUWKUNDIG LAB
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1974-01-29
Publication date: 1974-08-15
Also published as: BE810754A; FR2217484B1; NL7301924A; US3906781A; IT1006173B; FR2217484A1

Description

"Bodensonde"

Zur Bestimmung der Tragfähigkeit des Bodens, insbesondere zur Bestimmung der Tragfähigkeit von Pfählen, ist es üblich, eine Bodensonde in den Boden zu drücken, die aus
einem Bohr mit Verlängerungsstücken besteht, in dessen
unterem Teil abdichtend und leicht gleitbar eine konische Spitze untergebracht ist; diese Spitze ist mittels eines
elastisch verformbaren Meßkörpers mit Dehnungsmessern
mit dem Sondenrohr verbunden, so daß die während des Eindringens des Eohres in den Boden auf den Kegel ausgeübten Kräfte gemessen werden können. Daraus läßt sich dann der
Kegelwiderstand ableiten.

Außerdem ist eine derartige Sonde in der Nähe ihres
unteren Endes oft mit einer koaxialen Buchse von gleichem äußeren Durchmesser wie der anliegende Rohrteil versehen. Diese Buchse ist abdichtend und leicht gleitbar gegenüber diesem Rohrteil angebracht und mittels einer Brücke mit
einem axial angeordneten elastisch verformbaren Meßkörper mit Dehnungsmessern verbunden, so daß die beim Eindringen des Rohres in den Boden auf diese Buchse einwirkenden
Mantelreibungskräfte gemessen werden können. Daraus kann
dann der Mantelreibungswiderstand gemessen werden.

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Obgleich, auf diese Art eine Reihe wichtiger Daten über die Bodenbeschaffenheit gesammelt werden können, sind doch noch einige andere wichtige Faktoren vorhanden, wie zum Beispiel der Korn-zu-Korn-Druek, der Porenwasserdruck, die Dichte (Porenvolumen) und dergleichen; diese Faktoren werden übrigens, wenigstens vorübergehend während des Eindringens einer Sonde oder eines ähnlichen Körpers an dieser Stelle beträchtlich gestört. Zur Bestimmung der Tragfähigkeit ist es außerdem wichtig zu wissen, in welchem Winkel (Reibungswinkel) die Mantelreibungskräfte einwirken.

Zum Messen des Porenwasserdruckes kennt man Wasserdruckmesser, die in eine Bohrsonde eingebaut werden und aus einem kleinen Meßraum bestehen, der mittels verhältnismäßig schmaler öffnungen, die als Filter wirken können, mit dem Äußeren der Sonde in "Verbindung stehen, so daß Grundwasser in diesen Raum eindringen kann. Dieser Meßraum besitzt einen verformbaren Wandteil, dessen Verformung unter dem Einfluß des Wasserdruckes gemessen werden kann.

Zur Bestimmung des Dichtheitsverlaufes im Boden kann man bekannterweise eine Rohrsonde mit wenigstens zwei Paar ringförmiger Elektroden versehen, die in senkrecht zur Achse der Rohrsonde verlaufenden Ebenen in deren äußerer Fläche sitzen, wobei ein Paar innerhalb des anderen liegt. Auf diese Weise kann der"Verlauf der

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elektrisch.en Leitfähigkeit im Boden in der Nähe der Rohrsonde gemessen werden, woraus die Dichtheitsvarianten abgeleitet werden können.

Solche Messungen können natürlich auch mittels getrennter Rohrsonden vorgenommen werden, von denen jedes mit der entsprechenden Sonde ausgerüstet ist. Es ist dann aber unmöglich, diese Messungen an der gleichen Stelle vorzunehmen, so daß es ratsam ist, die verschiedenen Meßelemente an oder in demselben Rohr unterzubringen. In diesem Fall kann der Dichtheitsverlauf und der Wasserdruckverlauf während des Eindringens und, wenn nötig, auch während eines Stillstandes der Rohrsonde gemessen werden.

Die Messung des Wasserdruckes gibt allerdings nur ein ungenügendes Bild vom Zustand des Bodens, da abgesehen von diesem auch der Eorn-zu-Korn-Druck, das heißt der von den Körnern gegenseitig übertragene Bodendruck, wie auch dessen Verlauf während des Eindringens der Sonde oder dergleichen in den Boden von Interesse ist. Außerdem muß der Korn-zu-Eorn-Druck zur Bestimmung des Reibungswinkels bekannt sein, das heißt des Winkels, in dem die Mantelreibungskräfte auf die Sondenwand einwirken, da die Reibung durch den Korn-zu-Korn-Druck bestimmt wird.

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Aufgabe vorliegender Erfindung ist nun, eine Bodensonde zu schaffen, die die Ermittlung des Korn-zu-Korn-Druckes ermöglicht.

Als Lösung erstellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des gesamten, quer zu einer Rohrsonde verlaufenden Bodendruckes, aus dem durch Abziehen des Porenwasserdruckes vom Gesamtdruck der Korn-zu-Korn-Druck abgeleitet werden kann, da der Gesamtdruck ja die Summe der beiden Drücke ist.

Aus diesem und den gemessenen Mantelreibungskräften kann der Reibungswinkel berechnet werden.

Die Bodensonde der Erfindung, die wenigstens einen Wasserspannungsmesser aufweist, ist gekennzeichnet durch einen elastisch verformbaren koaxialen ringförmigen Wandteil, dessen Dicke insbesondere geringer ist als die Dicke der übrigen Rohrsonde und auf dessen Innenfläche zirkumferential gerichtete Dehnungsmesser angeordnet sind, die unter dem Einfluß des transversal einwirkenden Bodendruckes die transversalen lOrmveränderungen messen sollen, und zwar ohne die Messungen durch 3?ormveränderungen unter dem Einfluß der axial gerichteten Mantelreibungskräfte zu stören.

Um die Messung des Reibungswinkels zu ermöglichen, ist diese Sonde außerdem mit einem Mantelreibungswiderstandsmesser ausgerüstet; dieser umfaßt eine Meßbuchse, die sich gegenüber der Rohrsonde leicht verschieben läßt.

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In diesem Fall liegt der dünnere Wandteil am besten in . dieser Meßbuchse, da die Druckmessung am besten an derselben Stelle vorgenommen werden sollte wie die Messung der Mantelreibung, um einen richtigen Reibungswinkelwert zu erhalten. In diesem lalle ist auch die Stärke des eigentlichen Sondenrohres nicht beeinträchtigt.

Am besten liegt der dünnere Wandteil in einer entfernt von der Brücke liegenden Aussparung; diese Brücke verbindet diese Buchse mit einem inneren Meßkörper„

Um Messungen des Gesamtdruckes und des Porenwasserdruckes zu erhalten, die sich wenigstens annähernd auf dieselben Bodenteile beziehen, so daß Unterschiede im Einfluß der durch das Eindringen der Sonde zwischen verschieden vom Meßkonus entfernten Stellen verursachten Bodenstörung ausgeschaltet wer&es, wird eine symmetrische Anordnung jedes der beiden Wasser&ruclnaesser an den beiden Seiten eines Druckmessers oder sweier Druckmesser an beiden Seiten eines Wasserdruckmessers verwendet«,

Die verwendeten Dehnungsmesser sind am besten Halbleiterdehnungsmesser in Form von Paaren mit einer gegensätzlichen Beziehung zwischen dem elektrischen Widerstand und der Dehnung, die zusammen mit einem anderen Paar zu einer Meßbrücke verbunden werden, wobei jeder Zweig der Brücke einen Messer einer Art umfaßt.

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Auf diese Weise kann die ganze Brücke an Ort und Stelle gebildet werden, so daß keine getrennten Vergleichswiderstände erforderlich sind und außerdem keine zusätzliche T'emperaturausgleichsvorrichtung notwendig ist, da diese Dehnungsmesser alle den gleichen Temperaturkoeffizienten haben.

Die Erfindung wird im nachstehenden unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in E¹Xg. 1 einen vereinfachten schematischen Querschnitt

des unteren Teiles einer Sonde nach der Erfindung,

]?ig. 2 eine perspektivische schematische Darstellung,

teilvreise im Schnitt, eines Seiles dieser Sonde, und

Fig. 3 -eine schematische Darstellung einer am besten verwendeten Del-nungsmesseranordnung für eine solche Sonde.

Die in i*ig. 1 gezeigte zusammengesetzte Sonde umfaßt ein Sondenrohr Λ, das mit ähnlichen Honren verlängert werden kann und genügend stark ist, um in den Boden gedruckt werden zu können.

Am unteren Ende verbindet sich Hohr 1 mit einem engeren rohrförmigen Körper 2, an dessen unteren Ende ein Meßkegel 3 montiert ist; der größte Durchmesser dieses Kegels 3 ist im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Rohres 1. Körper 2 ist ein Meßkörper, der mit Dehnungsmessern versehen ist zum Messen der auf Kegel 3 ausgeübten Kräfte beim Eindringen in den Boden» was zu einer entsprechenden elastischen Verformung des Körpers 2 führt.

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Der Meßkörper 2 ist mit einer Öffnung 4 versehen, durch die ein querverlaufendes Brückenteil 5 geschoben wird, das in eine Buchse 6 eingreift, die einen dem Außendurchmesser von Rohr .1 gleichen Außendurchmesser aufweist. Diese Buchse 6 überbrückt den Zwischenraum zwischen Rohr 1 und Teil 7 dieses Rohres 1, der dem unteren Ende des Meßkörpers 2 anliegt; diese Buchse 6 liegt abdichtend einerseits dem oberen Ende von Körper 2 und andererseits dem genannten unteren Ende 7 an, und zwar mittels der Dichtringe 8 bzw. 9·

Die Schlitze 10 und 11 bleiben frei, so daß die Buchse gegenüber dem Rohr 1 und dem mit dem Kegel 3 verbundenen Teil 7 axial verschiebbar ist. Das Brückenteil 5 liegt einem axial gerichteten Heßkörper 12 an, der an der Oberseite mit der Oberseite von Körper 2 zusammenhängt. Die verschiedenen Teile 1,2,5,7 und 12 werden in der Zeichnung als auch einem einzigen Stück hergestellt gezeigt, in der Praxis aber werden getrennte Teile verwendet, die in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Schraubverbindungen, miteinander verbunden werden .

Der Körper 12 ist ebenfalls mit Dehnungsmessern versehen. Wenn Rohr 1 in den Boden gedruckt wird, hat die durch den umgebenden Boden verursachte Mantelreibung die Neigung, die Buchse 6 anzuhalten; die dann auftretenden Kräfte führen zu einer elastischen Verformung von Körper 12, die mittels der genannten Dehnungsmesser gemessen werden kann.

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Im unteren Teil 7 ist ein Wasserdruckmesser 13 angeordnet, der aus einem Kasten mit einer Wand aus einer flexiblen Membran bestellt. Das Innere des Kastens steht durch die Bohrungen 14 in der Außenwand mit der Außenseite in Verbindung. Diese Bohrungen 14- sind so schmal, daß die Körner des Bodens nicht eindringen können. Die Membran kann zum Beispiel mit Dehnungsmessern zum Messen ihrer Verformung und damit des vom Wasser darauf ausgeübten Druckes ausgerüstet werden. Es ist aber auch möglich, eine andere Meßmethode zu verwenden.

Die Buchse 6 umfaßt einen Teil 15 mit geringerer Wandstärlce. Dieser Teil ist in radialer Richtung genügend elastisch verformbar, so daß die durch den querverlaufenden Bodendruck verursachte Verformung mittels Dehnungsmesser 16 gemessen werden kann. Diese Dehnungsmesser 16 sind, wie in Hg. 2 gezeigt, in peripherischer Richtung (das heißt in einer senkrecht zur Achse verlaufenden Ebene) angeordnet, so daß nur die radiale Verformung bestimmt wird, während die von den Mantelreibungskräften verursachten Längenänderungen keinen Einfluß haben auf die Messung.

Die Dehnungsmesser 16 müssen in einer Brücke oder einem Spannungsteilerkreis eingeschaltet werden, um die Widerstandsänderung messen zu können. Da die Temperatur der Buchse 6 beim Eindringen in den Boden ansteigen kann, variieren die Widerstandswerte der Messer 16, die der Temperatur des Wandteiles 15 folgen, so stark, daß ein

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Ausgleichskreis erforderlich ist. Dazu können auf der Innenwand angeordnete zusätzliche Dehnungsmesser verwendet werden, die daher im wesentlichen dieselbe Temperatur aufweisen wie die Messer 16; diese zusätzlichen liegen in axialer Richtung und unterliegen keiner radialen Verformung. Diese Dehnungsmesser Unterliegen aber den auf Buchse 6 einwirkenden Mantelreibungskräften verursachten Längenänderungen, so daß diese ausgeglichen werden müssen, was zum Beispiel durch Ableitung von den mit den Dehnungsmessern auf Körper 12 vorgenommenen Messungen geschehen kann. Dies führt jedoch zu umständlichen Berechnungen, außerdem bewirkt die transversale Verformung von Wandteil 16 auch eine Verformung in Längsrichtung, so daß man, wenn man diese Störung vermeiden will, die Ausgleichsdehnungsmesser in einiger Entfernung von den Meßdehnungsmessern anbringen muß; dies ist aber wegen der beengten Abmessungen im allgemeinen nicht möglich.

Eine bessere Lösung erzielt man, wenn man Paare von Halbleiter-Dehnungsmessern verwendet, bei denen der Dehnungskoeffizient (dR/dl) eines Messers in einem Paar positiv und der andere negativ ist. Fig. j zeigt zwei Paare eines Dehnungsmessers 16' und eines Dehnungsmessers 16'' mit entgegengesetztem Dehnungskoeffizienten;

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Messer 16' des ersten Paares ist bei 17 mit Messer 16*' des zweiten Paares in Reihe verbunden, die Verbindungspunkte 17 sind dabei die Klemmen für die Abnahme der Meßspannung, während die anderen Enden der Dehnungsmesser 16' und 16'' eines Paares bei 18 miteinander und mit einer Stromquelle verbunden sind. Auf diese Weise bekommt man eine Meßbrücke, die in ungeladenem Zustand im Gleichgewicht ist, wenn die Dehnungsmesser den gleichen Widerstand haben. Bei Dehnung steigt der Widerstand zum Beispiel von Messer 16' an und der von Messer 16*' fällt ab, so daß sich dann die Spannung zwischen den Punkten ändert. Es ist klar, daß verschiedene Sätze nach Fig. 3 auf die Peripherie von Buchse 6 verteilt werden können und in passender Weise miteinander verbunden werden können, so daß ein Ausgleich möglicherweise auftretender unsymmetrischer Kräfteverteilung erzielt werden kann.

Die Dehnungsmesser von I¹Ig. 3 haben alle den gleichen Temperaturkoeffizienten, so daß selbst im lalle eines Temperaturgefälles in axialer oder radialer Eichtung sich die Spannung zwischen den Punkten 17 nicht ändert. Ein anderer Vorteil solcher Halbleitermesser besteht darin, daß sie eine hohe Empfindlichkeit besitzen, was erwünscht ist, da der Buchsenteil 15 nicht beliebig dünn gemacht werden kann, so daß die Verformung bei den auftretenden Drücken nur sehr geringfügig sein wird.

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Im oberen Teil von Körper 2 sind die öffnungen 19 zum Durchführen der Meßdrähte für die verschiedenen Gruppen von Dehnungsmessern und für den Wasserdruckmesser 13 angebracht .

Während des Eindringens des Sondenrohres in den Boden wird der Wasserdruck an einer bestimmten Stelle mittels des Wasserdruckmessers 13 gemessen, aber der Buchsenteil 15, mit dem der Gesamtbodendruck gemessen wird, erreicht diesen Punkt erst nach einer gewissen Zeit, deren Länge vom Abstand der öffnungen 14· und der Dehnungsmesser 16 sowie von der Einbringungsgeschwindigkeit abhängt. Es kann jedoch vorkommen, daß der nahe Kegel 3 gemessene Wasserdruck von der durch das Eindringen des Kegels verursachten Bodenverformung beeinflußt wird, und daß dieser Einfluß in der Nähe der Dehnungsmesser 16 beträchtlich schwächer ist. Reicht es nicht aus, nur den Druckverlauf festzustellen, sondern werden auch genau miteinander vergleichbare Werte verlangt, dann sollte eine symmetrische Anordnung entweder von zwei Wasserdruckmessern an beiden Seiten der Meßbuchse oder von zwei Meßbuchsen an beiden Seiten des Wasserdruckmessers verwendet werden; die erste Lösung ist die einfachere. Der Mittelwert der Messungen aus beiden äußeren Meßelementen kann als Wert nahe dem mittleren Meßelement betrachtet werden.

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Die Sonde nach 3?ig. 1 kann verlängert werden, indem man in Bohr 1 isolierte Eingelektroden zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des umgebenden Bodens einbaut, aus denen Informationen über die Dichtheit abgeleitet werden können.

Die Meßergebnisse der verschiedenen Elemente können auf mannigfache Art und Weise verarbeitet werden. Aus dem Verhältnis zwischen Kegelwiderstand und Mantelreibungswiderstand ergeben sich Informationen über die Bodenart und aus dem Verhältnis zwischen Mantelreibungswiderstand und Eorn-zu-Korn-Druck ergibt sich der Reibungswinkel, das heißt der Winkel unter dem die transversalen Kräfte einwirken, ebenso kann das Verhältnis zwischen diesen Verhältnissen wichtig sein. Das Eindringen des Sondenrohres in den Boden kann kontinuierlich oder stufenweise und mit ■unterschiedlicher Geschwindigkeit geschehen. Auch

stationäre Messungen sind möglich. Es ist auch mög- _daß

lieh,/die verschiedenen Meßergebnisse während des langsamen Eindringens unter konstanter Belastung verfolgt werden. Natürlich kann man noch andere Informationen bekommen, wenn zusätzliche Keßelemente, zum Beispiel ein elektrischer Leitungsmesser, verwendet werden.

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Claims

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Patentansprüche :

Bodensonde, bestehend aus einem Rohr, das in den Boden gedrückt wird und das durch Verlängerungsrohre verlängert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand dieses Rohres (1) einen ringförmigen elastisch verformbaren Wandteil (15) aufweist, der an der Innenseite im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse angeordnete Dehnungsmesser (16) aufweist, die den quer auf diese Wand einwirkenden Bodendruck messen sollen? ferner dadurch, daß in diesem Rohr (1) ein mit der Umgebung in Verbindung stehender Wasserdruckmesser (13) angeordnet ist, um durch Feststellung der Differenz zwischen den beiden Druckmessungen den Korn-zu-Korn-Dmxek ableiten zu können.
2. Bodensonde nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch verformbare Wandteil (15) ein. Teil einer Meßbuchse (6) ist, die in an sich bekannter Art und Weise mit einem Außendurchmesser, der im wesentlichen dem des Rohres (1) gleich ist, an letzterem angeordnet und gegenüber letzterem abgedichtet, in dessen axialer Richtung beweglich und mit einem mit Dehnungsmessern versehenen inneren Meßkörper (12) verbunden ist, um den Adhäsionswiderstand des Bodens bestimmen zu können«
3. Bodensonde nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verformbare Wandteil (15) eine geringere Wandstärke aufweist als die benachbarten Wandteile.

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4. Bodensonde nach, den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine symmetrische Anordnung von Wasserdruckmessern (13) an beiden Seiten eines verformbaren Wandteiles (15).
5. Bodensonde nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine symmetrische Anordnung von zwei verformbaren Wandteilen (15) an beiden Seiten eines Wasserdruckmessers (13)·
6. Bodensonde nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmesser (ΐδ',ΐβ¹¹) in Paaren angeordnet sind, dessen einer Partner ein Dehnungsmesser (16^f) mit einem positiven und dessen anderer ein Dehnungsmesser (I6^ff) mit einem negativen Dehnungskoeffizienten ist, wobei zwei solcher Paare in einer Meßbrücke kombiniert sind, in der ein Dehnungsmesser (16',16'') einer Art eines Paares in Reihe geschaltet ist mit dem Dehnungsmesser (16'',16') der anderen Art des anderen Paares.

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